JURNAL SAINS DAN SENI Vol. 1, No. 1, (2013) 1-7
1
PENGARUH KONDISI PENGHILANGAN TEMPLATE ZEOLIT NaY MENGGUNAKAN PELARUT HF DAN HCl TERHADAP KARAKTERISTIK KARBON TERTEMPLATE ZEOLIT NaY (KTZ-Y) Nurina Listya Manggiasih dan Nurul Widiastuti. Jurusan Kimia, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Pengaruh kondisi penghilangan template zeolit NaY menggunakan pelarut HF dan HCl terhadap karakteristik karbon ter-template zeolit NaY (KTZ-Y) berhasil dipelajari. KTZ-Y dikarakterisasi menggunakan difraksi sinar-X (XRD), spektroskopi inframerah (FT-IR), Elemental Analyzer, Scanning Electrone Microscopy (SEMEDX), dan dipelajari pula isoterm adsorpsi-desorpsi N2. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa karakteristik KTZ-Y sangat dipengaruhi oleh kondisi pencuciannya terutama oleh konsentrasi HF yang digunakan. Semakin besar konsentrasi HF, maka karakteristiknya semakin baik. KTZ-Y yang dicuci dengan HF 48% memiliki luas permukaan BET (SBET), volume pori total (Vt), dan volume mikropori (Vm) tertinggi yaitu secara berturut-turut 1189 m2/g, 1,09 cm3/g, dan 0,86 cm3/g. KTZ-Y dengan karakteristik permukaan dan pori lebih baik juga diperoleh dengan waktu perendaman dalam HF yang paling singkat (1 jam) dan waktu refluks HCl lebih lama (3 jam). Kata kunci: Karbon ter-template zeolit NaY, KTZ-Y, pengaruh penghilangan template.
I. PENDAHULUAN
jenis material berpori dapat digunakan untuk B erbagai adsopsi gas hidrogen seperti karbon berpori dan zeolit.
Karbon berpori dapat diperoleh dari aktivasi grafit dan kemudian dapat diaktivasi lebih lanjut untuk memperoleh luas permukaan BET lebih besar. Selain luas permukaan BET, sifat mekanik lain yang mempengaruhi aktivitas adsorpsi gas hidrogen adalah volume mikropori. Besar volume mikropori sebanding dengan banyaknya gas hidrogen yang teradsorp. Namun, karbon berpori memiliki volume mikropori yang relatif lebih kecil dibandingkan dengan zeolite [4]. Oleh karena itu, perlu dilakukan modifikasi untuk meningkatkan volume mikropori karbon sehingga diharapkan kapasitas adsorpsi hidrogennya akan semakin besar. Salah satu modifikasi mikropori karbon yang dapat dilakukan adalah melalui replikasi pori zeolit, sehingga karbon memiliki porositas yang serupa dengan zeolit. Replikasi pori zeolit dilakukan dengan menggunakannya sebagai template untuk pembuatan karbon dari prekusor karbon. Karbonisasi dilakukan terhadap campuran zeolit-prekursor untuk menghasilkan karbon diseputar pori zeolit yang disebut
sebagai karbon ter-template zeolit pori tertutup atau komposit karbon/zeolit. Mikropori KTZ baru akan diperoleh ketika komposit karbon/zeolit hasil karbonisasi dicuci dengan pelarut yang melarutkan template zeolit, sehingga pori KTZ akan terbuka pada tempat yang dulunya merupakan template zeolit. Berdasarkan uraian diatas, hal penting yang perlu diperhatikan adalah pemilihan jenis zeolit, prekursor, suhu karbonisasi, waktu dan lingkungan karbonisasi, serta pelarut template. Para peneliti melakukan penghilangan template pada KTZ-Y menggunakan asam fluorida (HF) untuk memperoleh KTZ-Y berpori terbuka. Kayadoe [5] dan Rohmah [4] melakukan tiga kali pencucian dengan HF 46% selama 24 jam. Proses pencucian ini memakan waktu yang lama dan resiko kontak dengan HF meningkat seiring bertambahnya waktu. Oleh karena itu, beberapa peneliti mulai mengurangi penggunaan HF pekat dengan menambahkan metode refluks menggunakan HCl pekat. Ma [6] menggunakan HF 46% selama 3 jam untuk pencucian komposit karbon/zeolit pada suhu ruang, kemudian dilanjutkan dengan refluks dalam HCl 37% pada suhu 60°C selama 3 jam. Wang [7] menggunakan HF 40% selama 24 jam pada suhu ruang, kemudian dilanjutkan dengan refluks dalam HCl 37% pada suhu 60°C selama 4 jam. Alam [8] menggunakan HF 20% selama 24 jam pada suhu ruang, kemudian dilanjutkan dengan refluks dalam HCl 37% pada suhu 60°C. Berbagai variasi konsentrasi HF, waktu perendaman dalam HF, dan waktu refluks telah banyak dilakukan. Oleh karena itu, penelitian ini disusun untuk megetahui pengaruh kondisi penghilangan template terutama konsentrasi HF, waktu perendaman dalam HF, dan waktu refluks dengan HCl terhadap karakteristik KTZ-Y. II. URAIAN PENELITIAN 2.1 Bahan dan Alat Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah air terdeionisasi, pelet NaOH 99% p.a, padatan natrium aluminat, larutan natrium silikat, sukrosa (98%), H2SO4 98% p.a, HF, HCl 37% p.a, dan gas nitrogen. Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri atas pengaduk magnetik, reaktor hidrotermal, krusibel stainless steel, reaktor stainless steel, tubular furnace, serta oven. 2.2 Sintesis Zeolit NaY Sintesis zeolit NaY (Linde tipe Y) dilakukan dengan metode hidrotermal melalui tahapan pembuatan gel dan
JURNAL SAINS DAN SENI Vol. 1, No. 1, (2013) 1-7 kristalisasi. Pembuatan gel terbagi menjadi tiga tahap yaitu pembuatan seed gel, feedstock gel, dan overall gel. Sintesis dilakukan sesuai dengan prosedur yang dilaporkan Kayadoe [5]. 2.3 Sintesis Karbon Ter-template Zeolit NaY Zeolit NaY (SiO2/Al2O3 = 5,1) hasil sintesis sebelumnya merupakan template karbon yang kemudian diimpregnasi dengan prekursor karbon yaitu sukrosa (98%). Metode impregnasi sederhana ini terdiri atas 3 tahapan.
2 III. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Sintesis Karbon Ter-Template Zeolit NaY Difraktogram XRD pada Gambar 3.1 menunjukkan kemunculan puncak-puncak khas zeolit NaY pada 2θ = 6,2111°; 10,1303°; 11,8764°; 15,6183°; 20,3303°; 23,5647°; 26,9490°; 31,2792° yang mengindikasi bahwa zeolit NaY berhasil disintesis. Zeolit NaY tersebut diimpregnasi dengan sukrosa dan dikarbonisasi menghasilkan berupa material padat berwarna cokelat kehitaman. Gambar 3.2 memperlihatkan difraktogram XRD material tersebut.
Tahap 1. Impregnasi sukrosa pada zeolite NaY Zeolit NaY sebanyak 10 gram dikeringkan pada suhu 200°C selama 4 jam dalam labu dan didinginkan sampai suhu kamar dalam atmosfer nitrogen. Larutan dari 12,5 g s ukrosa dalam asam sulfat 0,35 M (0,001 L H2SO4 98% dalam 0,05 L air deionisasi) dicampurkan dan diaduk selama 72 jam pada suhu kamar [5]. Tahap 2. Karbonisasi template Campuran yang diperoleh kemudian dikarbonisasi dalam tabung stainless pada suhu 800°C selama 4 jam dengan laju kenaikan pemanasan 1°C/menit dibawah aliran gas nitrogen dengan laju alir 30 cm3/menit. Tahap 3. Penghilangan template zeolit Komposit karbon/zeolit direndam dalam larutan HF untuk menghilangkan silika dari template zeolit. Hasil perendaman dicuci dengan air terdeionisasi panas hingga pH netral dan dikeringkan pada 120°C semalaman. Hasil yang diperoleh kemudian direfluks dengan HCl 37% untuk menghilangkan alumina dan pengotor lain, dicuci dengan air terdeionisasi hingga pH netral, dan dikeringkan pada 120°C semalaman [8]. Variasi konsentrasi HF 5%, 10%, 20%, dan 48% dengan variasi lama perendaman 1 jam, 3 jam, dan 24 jam, dilanjutkan dengan variasi waktu refluks 1, 2,dan 3 jam dilakukan dalam penelitian ini. Karbon yang diperoleh dinotasikan dengan nama KTZ-Y_HF 5% 1j_HCl 37% 1j untuk karbon ter-template zeolit NaY yang direndam dalam HF konsentrasi 5% selama 1 jam dan direfluks dalam HCl konsentrasi 37% selama 1 jam. 2.4 Karakterisasi Karbon Ter-Template Zeolit NaY Zeolit NaY dan KTZ-Y dikarakterisasi dengan XRD dengan sumber radiasi Cu-Kα (λ=1,54 Å) pada 2θ = 5 – 50° untuk mengkonfirmasi terbentuknya karbon dan hilangnya template zeolit NaY. Hilangnya template zeolit NaY dapat dilihat pula dari hasil analisis FT-IR yang dapat menunjukkan vibrasi ikatan T-O-T (T = S i atau Al) sehingga membantu memberikan informasi perubahan struktur template. Analisis lain yang digunakan adalah SEM untuk menunjukkan morfologi permukaan KTZ-Y yang dilengkapi dengan EDX untuk menunjukkan unsur yang terkandung didalamnya. Untuk mengetahui total karbon dan kadar abu, maka dilakukan pengujian dengan Elemental analyzer. Analisis permukaan dan pori KTZ-Y melalui adsorpsi isoterm nitrogen dengan Quanta-chrome Autosorb Iqwin (iQ) juga dilakukan untuk memperoleh luas permukaan BET dan volume mikroporinya.
Gambar 3.1 Difraktogram (a) zeolit NaY hasil sintesis dan (b) PDF No. 39-1380.
Gambar 3.2 Difraktogram XRD material hasil karbonisasi. Gambar 3.2 memperlihatkan bahwa material hasil karbonisasi memunculkan puncak-puncak dengan intensitas tinggi pada daerah 2θ khas zeolit NaY. Hal ini menunjukkan bahwa material ini masih mengandung template zeolit NaY. Material tersebut dikenal sebagai komposit karbon/zeolit. Oleh karena itu, template zeolit NaY perlu dihilangkan untuk memperoleh KTZ-Y berpori terbuka. Proses penghilangan template zeolit NaY kemudian dilakukan menggunakan larutan HF untuk melarutkan silika (SiO2) yang merupakan salah satu unit pembangun utama kerangka zeolit. Refluks dengan HCl berfungsi untuk melarutkan alumina dan pengotor-pengotor lain yang masih tersisa [8].
JURNAL SAINS DAN SENI Vol. 1, No. 1, (2013) 1-7
3
3.2 Pengaruh Kondisi Penghilangan Template Terhadap Karakteristik Fasa KTZ-Y Difraktogram XRD sampel KTZ-Y yang disintesis dengan perbedaan konsentrasi HF (Gambar 3.3 (a)), waktu perendaman HF (Gambar 3.3 (b)), dan waktu refluks (Gambar 3.3 (c)) tidak menunjukkan kemunculan puncak pada 2θ khas unit cell kristal zeolit NaY melainkan menunjukkan pola difraksi unit cell yang amorf. Hal ini mengindikasi template telah hilang. Difaktogram pada Gambar 3.3 dikarakterisasi terutama melalui kemunculan puncak lemah pada 2θ = 6°, dan puncak lain pada daerah 2θ ~24° dan ~43° [9]. Secara keseluruhan, difraktogram KTZ-Y tidak menunjukkan dengan jelas adanya puncak lemah pada 2θ = 6°. Hal ini menunjukkan bahwa replikasi struktur pori template zeolit NaY pada karbon yang disintesis masih sedikit, sehingga struktur karbon memiliki keteraturan yang rendah akibat pengisisan pori zeolit oleh sukrosa belum sempurna [9]. Difraktogram XRD-powder pada Gambar 4.7 juga menunjukkan kemunculan puncak pada 2θ = 24°, berupa difraksi [0 0 2] dari layer karbon dengan karakteristik grafitik. Karbon dengan karakteristik grafitik merupakan lembaran karbon dengan struktur menyerupai grafit yang tersimpan diluar pori-pori template zeolit-NaY dan tumbuh tanpa ada batasan ruang [6]. Puncak melebar (broad atau yang biasa disebut hump) yang muncul menunjukkan bahwa karbon yang terbentuk bukanlah karbon grafitik, melainkan campuran karbon amorf dan karbon turbostatik kurang teratur [8]. Intensitas dan ketajaman hump semakin meningkat seiring dengan penurunan konsentrasi HF, sedangkan perbedaan waktu perendaman HF dan waktu refluks HCl tidak menunjukkan perbedaan intensitas dan ketajaman hump yang berarti. Secara keseluruhan, karbon yang dicuci dengan HF 5% pada berbagai waktu perendaman HF dan waktu refluks HCl memiliki karakteristik karbon grafitik yang besar. Penghilangan template dengan HF 5% masih menyisakan banyak karbon grafitik, karena konsentrasinya yang rendah hanya mampu menghilangkan sedikit karbon dibagian terluar template. Sedangkan pada konsentrasi HF 10% dan 48% hump yang terbentuk mengindikasi karbon grafitik telah dihilangkan melalui perendaman dalam HF dan selanjutnya HF dapat merusak bahkan melarutkan template untuk kemudian diperoleh KTZ-Y berpori terbuka. Difraktogram XRD pada Gambar 3.3 juga menampilkan kemunculan puncak melebar pada 2θ ~43° yang kurang jelas. Puncak melebar pada 2θ ~43° menunjukkan kandungan karbon dalam sampel [6]. Semakin rendah konsentrasi HF yang digunakan maka intensitas puncak melebar pada 2θ ~43° terlihat semakin melemah yang mengindikasi kandungan karbon dalam sampel semakin sedikit. Sedangkan, perbedaan waktu perendaman HF dan waktu refluks dalam HCl tidak terlalu memberi pengaruh terhadap puncak melebar pada 2θ ~43°. Meskipun demikian, berdasarkan difraktogram Gambar 3.3 dapat dikatakan bahwa semua kondisi pelarutan template yang dilakukan telah berhasil menghilangkan fasa zeolit NaY dan memunculkan fasa karbon. Gambar 3.3 Difraktogram sampel KTZ-Y pada (a) berbagai konsentrasi HF, (b) berbagai waktu perendaman HF, dan (c) berbagai waktu refluks HCl.
JURNAL SAINS DAN SENI Vol. 1, No. 1, (2013) 1-7 3.3 Pengaruh Kondisi Penghilangan Template Terhadap Karakteristik Gugus Fungsi template pada KTZ-Y Spektrum IR zeolit NaY, komposit karbon/zeolit, dan beberapa sampel KTZ-Y pada Gambar 3.4 menunjukkan karakteristik empat puncak serapan di daerah bilangan gelombang 400 – 1200 cm-1. Puncak serapan pada bilangan gelombang 1200 – 1000 cm-1 muncul karena adanya vibrasi ulur (streching) asimetri T–O–T dari tetrahedral TO4 (T = Si, Al) [10]. Puncak serapan pada bilangan gelombang 600 – 800 cm-1 menunjukkan adanya vibrasi ulur (streching) simetri T– O–T dan vibrasi tekuk (banding) T–O [11]. Puncak pada daerah bilangan gelombang ~565 cm-1 merupakan serapan khas yang muncul karena adanya vibrasi tekuk Si–O–Si pada unit SBU 6 zeolit NaY [12]. Puncak pada daerah bilangan gelombang sekitar 450 – 500 cm-1 menunjukkan adanya vibrasi tekuk Si–O–Si [13].
4 3.4 Pengaruh Kondisi Penghilangan Template Terhadap Karakteristik Kandungan Karbon dan Sisa Template KTZ-Y Tabel 3.1 menunjukkan kandungan karbon pada keempat sampel. Kandungan karbon dan kadar abu keempat sampel mengalami perbedaan secara signifikan akibat variasi konsentrasi HF, sedangkan variasi waktu perendaman HF dan refluks HCl tidak terlalu menunjukkan perbedaan yang berarti. Hal ini sesuai dengan hasil difraktogran XRD, yang menunjukkan perbedaan intensitas puncak melebar pada 2θ ~43° dengan kecenderungan kandungan karbon yang sama dengan hasil uji Elemental analyzer. Hal ini juga sesuai dengan hasil spektrum IR yang menunjukkan kecenderungan kemunculan vibrasi gugus fungsi template yang serupa dengan prosentase kadar abu yang diperoleh. Tabel 3.1
Kandungan karbon dan kadar abu beberapa sampel KTZ-Y Nama sampel
KTZ-Y_HF 5% 1j_HCl 37% 1j KTZ-Y_HF 5% 1j_HCl 37% 3 j KTZ-Y_HF 5% 24 j_HCl 37% 3j KTZ-Y_HF 48 % 24j_HCl 37% 3j
Gambar 3.4 Spektrum IR zeolit NaY, komposit karbon/zeolit, dan beberapa sampel KTZ-Y. Seluruh spektra IR pada Gambar 3.4 memiliki kemiripan posisi puncak serapan. Namun, ada sedikit pergeseran dan perbedaan intensitas. Puncak serapan pada daerah vibrasi asimetri TO4 (1200 – 1000 cm-1) mengalami pergeseran dan penurunan intensitas karena hilangnya beberapa silika dan alumina sehingga menyebabkan penurunan muatan negatif framework zeolit [10]. Penurunan intensitas juga terjadi pada puncak serapan di daerah 600 – 800 cm-1. Hal ini dipengaruhi oleh penurunan kesimetrisan tetrahedral TO4 yang mengindikasi adanya pemutusan ikatan dan perusakan struktur tetrahedral. Selain itu, penurunan intensitas dan bahkan hilangnya puncak serapan karakteristik zeolit NaY di daerah ~565 cm-1 dan di daerah 450 – 500 cm-1 terjadi karena adanya vibrasi Al–O dalam Si–O–Al [10]. Hal ini mengindikasikan beberapa ikatan Si–O–Si telah terputus dan intensitasnya rendah. Di lain pihak, tidak terjadi kemunculan puncak serapan baru ataupun penambahan intensitas. Hal ini menunjukkan tidak ada pembentukan fasa asing [10]. Berdasarkan uraian tersebut dapat dikatakan bahwa banyak dari struktur template zeolit NaY telah mengalami kerusakan akibat perendaman dalam HF dan refluks dengan HCl, terutama pada sampel KTZ-Y_HF 48% 24j_HCl 37% 3j.
Kandungan karbon (%)
Kadar abu (%)
24,74 27,40 26,29 74,81
64,41 60,48 62,55 0,25
KTZ-Y_HF 48 % 24j_HCl 37% 3j mengandung jumlah karbon lebih banyak dibanding sampel KTZ-Y yang dicuci dengan larutan HF 5% dan HCl 37%, secara berturut-turut 74,81% dan 26,29%. Hal ini menunjukkan bahwa semakin besar konsentrasi HF yang digunakan maka kandungan karbon yang diperoleh semakin banyak karena HF dengan konsentrasi lebih tinggi memiliki jumlah mol lebih banyak untuk memutuskan ikatan-ikatan silika pada template zeolit NaY sehingga lebih banyak template yang terlarut. Ma [6] melaporkan bahwa kadar abu dari hasil Elemental analyzer dianggap sama dengan template zeolit yang mengandung silika dan alumina dengan asumsi tidak ada pengurangan berat selama analisis berlangsung. Semakin banyak pelarutan silika maka semakin sedikit jumlah template sehingga jumlah karbon terukur setiap satuan massa akan lebih besar pula. Beda waktu perendaman HF dan refluks HCl tidak memberikan pengaruh signifikan terhadap kandungan karbon dan kadar abu terukur. Akan tetapi, pengurangan kandungan karbon akibat perbedaan waktu perendaman HF menarik untuk diperhatikan. Sampel yang direndam selama 1 jam memiliki kandungan karbon 1,21% lebih banyak dari sampel dengan perendaman 24 jam. Hal ini dapat terjadi karena waktu yang lebih lama memberi kesempatan larutan HF untuk tidak hanya melarutkan template melainkan juga turut melarutkan beberapa karbon pada link rapuhnya yang mudah rusak saat dicuci dengan asam [6]. Hal sebaliknya terjadi pada variasi waktu refluks dengan HCl. Waktu refluks yang semakin lama menghasilkan semakin banyak kandungan karbon dan kadar abu yang semakin sedikit. Hal ini dapat terjadi karena semakin lama kontak HCl dengan sampel menyebabkan semakin banyak alumina dan pengotor lain seperti Na, F, dan S berhasil dihilangkan [14].
JURNAL SAINS DAN SENI Vol. 1, No. 1, (2013) 1-7 3.5 Pengaruh Kondisi Penghilangan Template Terhadap Karakteristik Morfologi KTZ-Y Hasil analisis menggunakan SEM dapat dilihat pada Gambar 3.5. Gambar 3.5 menunjukkan bahwa morfologi KTZ-Y berupa gumpalan karbon dan struktur yang mirip dengan struktur zeolit NaY. Terbentuknya karbon dengan struktur menyerupai zeolit NaY menunjukkan bahwa replikasi struktur zeolit NaY berhasil pada sebagian karbon [15]. Sementara itu, gumpalan karbon menunjukkan adanya karbon amorf yang terbentuk tidak sempurna [5]. Hal ini sesuai dengan hasil difraktogram XRD yang tidak menampilkan adanya puncak lemah pada 2θ = 6°. Sedangkan, kekasaran yang tampak pada permukaan karbon disebabkan oleh terlalu banyak deposisi karbon pada permukaan eksternal dari partikel [6]. Hal ini sesuai dengan hasil difraktogram XRD yang menunjukkan adanya puncak melebar pada 2θ ~24°. KTZ-Y, pada Gambar 3.5, yang dicuci dengan HF 10% terlihat memiliki sebaran partikel lebih teratur dari pada karbon yang dicuci dengan HF 5%, meskipun tidak seteratur zeolit NaY. Untuk memastikan bahwa morfologi teratur mirip struktur tersebut adalah karbon maka dilakukan uji EDX terhadap sampel KTZ-Y_HF 10% 24j_HCl 37% 3j. (a) Zeolit NaY (Rohmah, 2012)
(1 μm) (20000 kV) (10000 KX)
(b) KTZ-Y_HF 5% 1j_HCl 37% 1j
(1 μm) (20000 kV) (10000 KX)
(200 nm) (20000 kV) (90000 KX)
(c) KTZ-Y_HF 10% 24j_HCl 37% 3j I II
(1 μm) (20000 kV) (10000 KX)
(200 nm) (20000 kV) (90000 KX)
Gambar 3.5 Mikrograf (a) zeolit NaY dan (b) KTZ-Y_HF 5% 1j_HCl 37% 1j menggunakan SEM, serta (c) KTZ-Y_HF 10% 24j_HCl 37% 3j menggunakan SEM-EDX.
5 Data prosentase kandungan unsur dapat dilihat pada Tabel 3.2. S ampel tersebut didominasi oleh kandungan karbon (C = 82,94%). Namun, terdapat sejumlah kandungan unsur lain seperti nitrogen (N = 3,06%), oksigen (O = 13,99%). Beberapa peneliti melaporkan adanya kandungan unsur lain pada sampel KTZ-Y. Ma [6] melaporkan bahwa karbon yang dicuci menggunakan metode perendaman HF dan refluks HCl menunjukkan adanya kandungan unsur hidrogen (H), klor (Cl), dan oksigen (O). Sedangkan Kayadoe [5], melaporkan bahwa karbon yang hanya dicuci dengan HF menunjukkan adanya unsur belerang (S), aluminium (Al), dan oksigen (O). Tabel 3.2
Data kandungan unsur dalam sampel KTZ-Y_HF 10% 24j_HCl 37% 3j. Unsur Kandungan (%) I (SEM-kiri) II (SEM-kanan) C 80,35 82,94 N 0,59 3,06 O 18,96 13,99 Si 0,1 -
Kemunculan unsur nitrogen dalam penelitian ini dapat disebabkan masuknya nitrogen ketika proses karbonisasi selama 4 jam karena untuk melakukan doping nitrogen ke dalam karbon, seperti dalam penelitian Wang [7], dapat melalui pemanasan dibawah aliran nitrogen selama 2 jam. Kandungan oksigen yang cukup banyak dapat berasal dari oksigen prekursor sukrosa dan masuknya oksigen ketika proses pencucian [6]. Kandungan silikon, meskipun sangat sedikit, berasal dari kerangka template zeolit NaY. Hal ini menunjukkan bahwa penghilangan template pada KTZ-Y_HF 10% 24j_HCl 37% 3j belum sepenuhnya efektif. Sesuai dengan hasil Elemental analyzer pada Tabel 3.1, semakin rendah konsentrasi HF yang digunakan kadar abua yang merepresentasikan kandungan silikon akan semakin banyak. Sementara itu, tidak ditemukannya unsur belerang, aluminium, fluor, dan natrium menunjukkan bahwa refluks dalam HCl pekat sangat efektif menghilangkan unsur-unsur tersebut. 3.6 Pengaruh Kondisi Penghilangan Template Terhadap Karakteristik Permukaan dan Pori KTZ-Y Hasil analisis isoterm adsorpsi nitrogen untuk mengetahui karakteristik permukaan dan pori beberapa sampel KTZ-Y dapat dilihat pada Gambar 3.7. Isoterm pada Gambar 3.7 merupakan bentuk isoterm tipe IV yang mengindikasi adanya mikropori dan sedikit mesopori [8]. Adanya mikropori dan mesopori lebih jelas dapat dilihat pada Gambar 3.8. Kurva distribusi ukuran pori KYZ-Y pada Gambar 3.8 menunjukkan bahwa KYZ-Y rata-rata memiliki ukuran pori 3,5 nm dengan didominasi oleh karbon berukuran mikropori dan mesopori (diameter <10 nm). Gambar 3.8 sesuai dengan hasil isoterm adsorpsi N2. Pengisian mikropori menyebabkan adsorpsi tajam pada P/P0 0,1 – 0,4. Kondensasi pada permukaan mesopori mengakibatkan munculnya loop histerisis pada P/P0 > 0,4. Adanya pori karbon sebesar 200 nm menjelaskan munculnya adsorpsi tajam secara tiba-tiba pada daerah P/P0 > 0,9 akibat pengisian pada celah besar [8].
JURNAL SAINS DAN SENI Vol. 1, No. 1, (2013) 1-7
6 juga akan semakin besar. Hal ini sesuai dengan hasil IR yang menunjukkan masih adanya sedikit vibrasi T–O–T dan hasil Elemental analyzer yang melaporkan hanya ada 0,25% abu atau sisa template. Semakin besar luas permukaan BET, maka volume pori total dan volume mikropori yang terukur juga semakin besar [16].
Gambar 3.7 Grafik isoterm adsorpsi-desorpsi N2 beberapa sampel karbon. Hasil karakterisasi pada Tabel 3.3 menunjukkan bahwa perendaman menggunakan HF 5% kurang efektif untuk digunakan menghilangkan template. Keberadaan template zeolit ini menutup pori karbon sehingga KTZ-Y yang dihasilkan tidak sepenuhnya berpori terbuka. Semakin sedikit pori yang terbuka, maka luas permukaan karbon yang terukur akan semakin kecil karena terhalang oleh sisa template. Berdasarkan hasil difraktogram XRD sebelumnya, dapat dinyatakan bahwa pencucian dengan HF 5% sudah mampu menurunkan keteraturan kristal zeolit NaY sehingga zeolit NaY tidak lagi memiliki bidang kristal sempurna Hal ini didukung dengan hasil IR yang menunjukkan bahwa pada karbon dengan pencucian 5% masih ada vibrasi T–O–T dan Elemental analyzer yang menunjukkan sebagian besar kandungannya adalah abu (~62%). Sampel KTZ-Y_HF 48% 24 j_HCl 37% 3j memiliki luas permukaan, volume pori, dan volume mikropori terbesar yaitu secara berturut-turut 1189 m2/g, 1,09 cm3/g, dan 0,86 cm3/g. Hal ini sangat dipengaruhi oleh besarnya konsentrasi HF yang digunakan. Semakin banyak template yang hilang, maka karbon yang dihasilkan akan semakin berpori terbuka dan luas permukaan terukur
Gambar 3.8 Distribusi ukuran pori beberapa sampel karbon. Pengaruh waktu perendaman HF terhadap karakteristik permukaan dan pori KTZ-Y tidak terlalu signifikan. Hal ini sesuai dengan hasil XRD, IR, dan Elemental analyzer. Difraktogram XRD menampilkan pola yang mirip untuk perendaman HF selama 1 jam dan 24 jam. Spekta IR menunjukkan bahwa keduanya masih memiliki vibrasi T–O– T. Hasil Elemental analyzer menunjukkan bahwa karbon yang direndam HF selama 24 jam memiliki total karbon lebih sedikit. Dengan hilangnya beberapa karbon, maka hasil analisis luas permukaan, volume pori total, dan volume mikropori akan semakin kecil. Hasil karakteristik permukaan dan pori KTZ-Y_HF 5% 1j_HCl 37% 1j tidak tersedia karena sampel karbon tersebut sulit mengadsorp N2 selama proses adsorpsi berjalan. Hal ini
JURNAL SAINS DAN SENI Vol. 1, No. 1, (2013) 1-7 dapat terjadi karena pencucian yang dilakukan sangat tidak efektif sehingga sulit untuk menghilangkan karbon-karbon yang menghalangi di permukaan luar template. Adanya karbon diluar permukaan template (karbon grafitik) terlihat dari hasil difraktogram XRD. Akibatnya, pencucian hanya mampu mengurangi keteraturan template yang paling dekat dengan permukaan luar saja. KTZ-Y hasil pencucian ini diperkirakan masih banyak berada dalam kukungan template zeolit. Hal ini didukung oleh data Elemental analyzer yang menyebutkan sampel karbon ini memiliki kandungan karbon terendah dan kada abu terbesar dibandingkan dengan sampel karbon yang lain. Permukaan luar setelah pencucian yang didominasi karbon grafitik (luas permukaan rendah) dan zeolit dengan struktur yang sudah rusak tidak lagi sesuai untuk tempat penempelan molekul N2 [6]. Hal ini menunjukkan bahwa waktu refluks menggunakan HCl pekat yang lebih lama mampu menghasilkan KTZ-Y dengan karakteristik lebih baik. Tabel 3.3 Karakteristik pori zeolit NaY dan karbon tertemplate zeolit hasil sintesis Sampel
Zeolit Nay (Kayadoe, 2012) KTZ-Y_HF5%1j_HCl37%1j KTZ-Y_HF5%1j_HCl37%3j KTZ-Y_HF5%24j_HCl37%3j KTZ-Y_HF48%24j_HCl37%3j a Luas permukaan BET b Volume pori total
SBETa (m2/g) 687 604 462 1189
Vt b Vm c dVd (m3/g) (cm3/g) (nm) 0,40 0,34 2,36 0,59 0,49 3,89 0,41 0,32 3,49 1,09 0,86 3,66 c Volume mikropori d Diameter pori rata-rata
IV. KESIMPULAN Pengaruh kondisi penghilangan template zeolit NaY melalui perendaman dalam HF dan refluks dengan HCl telah dipelajari dengan upaya mengetahui karakteristik fasa, gugus fungsi template, kandungan karbon dan kadar abu, morfologi, dan luas permukaan serta volume pori karbon ter-template zeolit NaY (KTZ-Y). Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa kondisi penghilangan template sangat mempengaruhi karakteristik KTZ-Y. Penghilangan template dengan konsentrasi HF lebih tinggi menghasilkan karakteristik fasa karbon lebih baik dengan rendahnya intensitas puncak 2θ ~24°. Karakteristik gugus fungsi template bergeser dan berkurang intensitasnya akibat kerusakan setelah perendaman dalam HF dan refluks dengan HCl, terutama pada sampel dengan konsentrasi HF tinggi. Penggunaan konsentrasi HF lebih tinggi juga menghasilkan KTZ-Y dengan karakteristik kandungan karbon terbesar (74,81%) dan kadar abu terkecil (0,25%). Sampel dengan konsentrasi HF lebih tinggi memiliki karakteristik morfologi berupa gumpalan karbon amorf dan partikel dengan struktur mirip zeolit Y yang lebih teratur daripada sampel dengan konsentrasi lebih rendah. Hasil EDX menunjukkan bahwa partikel dengan struktur mirip zeolit Y tersebut adalah karbon. Karakteristik permukaan dan pori KTZ-Y semakin baik dengan semakin besarnya konsentrasi HF. KTZ-Y HF 48% memiliki SBET, Vt, dan Vm tertinggi, secara berturut-turut 1189 m 2/g, 1,09 cm3/g, dan 0,86 cm3/g. Berdasarkan uraian diatas dapat dikatakan bahwa karakteristik KTZ-Y paling dipengaruhi oleh konsetrasi HF. Selain itu, KTZ-Ydengan karakteristik lebih baik, diperoleh dengan waktu perendaman dalam HF yang paling singkat (1 jam) dan waktu refluks HCl lebih lama (3 jam).
7 UCAPAN TERIMA KASIH Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT karena atas rahmat, taufik dan hidayah-Nya sehingga artikel ilmiah ini dapat diselesaikan dengan baik. Penulias mengucapkan terimakasih atas bantuan, dukungan dan dorongan dari semua pihak: 1. Ibu Nurul Widiastuti, Ph.D. selaku dosen pembimbing yang telah memberi banyak pengetahuan, masukan, dan inspirasi bagi Penulis, 2. Bapak Hamzah Fansuri, Ph.D. selaku Ketua Jurusan Kimia FMIPA ITS Surabaya, 3. Dosen-dosen Jurusan Kimia FMIPA ITS Surabaya atas ilmu yang telah diberikan. DAFTAR PUSTAKA [1]
Antolini, Ermete. 2009. “ Carbon Supports for Low-Temperature Fuel Cell Catalysts (Review)”. Applied Catalysis B: Environmental 88, 1 – 24.
[2]
Niu, J. J. dan Wang, J N. 2008. “Effect of Temperatur on Chemical Activation of Carbon Nanotubes”, Journal of Solid State Science 10, 1189 – 1193.
[3]
Nijkamp, M.G., Raaymakers, J.E.M.J., Dillen, A.J., Van deJong, K.P. 2001. “Hydrogen Storage Using Physisorption-Materials Demands”. Applied Physics A: Materials Science & Processing 72, 619.
[4]
Rohmah, Faizatur. 2012. “ Pengaruh Suhu Karbonisasi Karakteristik Karbon Bertemplate Zeolit” . Tugas Akhir ITS.
[5]
Kayadoe, Viktor. 2012. “ Pengaruh Rasio Zeolit:Sukrosa pada Sintesis Karbon Ter-Template Zeolit Y”. Tesis ITS.
[6]
Ma, Z., Kyotani, T., dan Akira Tomita. 2002. “ Synthesis Methods for Preparing Microporous Carbons with A Structural Regularity of Zeolite Y”. Carbon 40, 2367 – 2374.
[7]
Wang, Lifeng., dan Ralph T. Yang. 2009. “Hydrogen Storage Properties of N-Doped Microporous Carbon”. The Journal of Physical Chemistry C 113, 21883 – 21888.
[8]
Alam, Nurul dan Robert Mokaya. 2011. “ The Effect of Al Content of Zeolite Template on The Properties and Hydrogen Storage Capacity of Zeolite Templated Carbons”. Microporous and Mesoporous Materials xxx, xxx–xxx.
[9]
Guan, C., Wang, K., Yang, C., dan Zhao, X. S. 2009. “Characterization of a Zeolite-Templated Carbon for H2 Storage Application”. Microporous and Mesoporous Materials 118, 503 – 507.
[10]
Titova, T.I., Kosheleva, L.S., Zhdanov, S.P., dan M.A. Shubaeva. 1993. “IR spectroscopic study of structure-chemical aspects of the Na-Y zeolite dealumination with ethylene diamine te traacetic acid”. Pure and Applied Chemistry 65-10, 2231-2236.
[11]
Armaroli, T., Simon, L.J., Digne, M., Montanari, T., Bevilacqua, M., Valtchev, V., Patarin J dan Busca, G. 2006. “Effects of Crystal Size and Si/Al Ratio on The Surface Properties of H-ZSM-5 Zeolites”. Applied Catalysis A: General 306, 78 – 84.
[12]
Sutrisno, Hari., Arianingrum, Retno, dan Ariswan. 2005. “ Silikat dan Titanium Silikat Mesopori-Mesotruktur Berbasis Struktur Heksagonal dan Kubik”. Jurnal Matematika dan Sains 10-2, 69 – 74.
[13]
Saikia, Bahskar. J., Parthasarathy, Gopalakrishnarao. 2010. “Fourier Transform Infrared Spectroscopic: Characterization of Kaolinite from Assam and Meghalaya, Northeastern India”. Journal of Modern Physics 1, 206 – 210.
[14]
Garsuch, A., Klepel O. 2005. “ Synthesis of Ordered Carbon Replicas by Using Y-Zeolite as Template in A Reactor Batch”. Carbon 43, 2330 – 2337.
[15]
Su, F., Zhao, X. S., dkk. 2004. “Synthesis and Characterization of Microporous Carbons Templated by Aammonium-Form Zeolite Y”. Carbon 42, 2821 – 2838.
pada
